光纤

背景

光纤是由熔融石英玻璃拉制而成的一根细丝。这些光纤正在取代金属线作为高速、大容量通信系统中的传输介质，将信息转换为光，然后通过光缆进行传输。目前，美国电话公司是光纤电缆的最大用户，但该技术也用于电力线、本地访问计算机网络和视频传输。

以开发电话而闻名的美国发明家亚历山大·格雷厄姆·贝尔 (Alexander Graham Bell) 于 1880 年左右首次尝试使用光进行通信。 然而，直到 20 世纪中叶，先进技术提供了传输源，激光，光波通信才变得可行。以及一种有效的介质，即光纤。激光器于 1960 年发明，六年后，英国的研究人员发现石英玻璃纤维可以传输光波而不会出现明显的衰减或信号损失。 1970年研制出新型激光器，第一条光纤商业化生产。

在光纤通信系统中，由光纤制成的电缆连接包含激光器和光检测器的数据链路。为了传输信息，数据链路将模拟电子信号（电话交谈或摄像机的输出）转换为数字激光脉冲。它们通过光纤传输到另一个数据链路，在那里光检测器将它们重新转换为电子信号。

原材料

光纤主要由二氧化硅 (SiO 2 ) 组成，但通常会添加少量其他化学品。高度纯化的二氧化硅粉末用于现已过时的坩埚制造方法，而纯氧 (02) 气流中的液态四氯化硅 (SiCl 4 ) 是目前广泛使用的气相沉积法的主要硅来源。其他化合物，如四氯化锗 (GeCl 4 ) 和三氯氧化磷 (POC1 3 ) 可用于生产核心纤维和外壳，或包层， 具有特定功能的光学特性。

由于光纤中使用的玻璃的纯度和化学成分决定了光纤最重要的特性——衰减程度——现在的研究重点是开发具有尽可能高纯度的玻璃。氟化物含量高的玻璃最有希望提高光纤性能，因为它们对几乎整个可见光频率范围都是透明的。这使得它们对于可以同时传输数百个离散光波信号的多模光纤特别有价值。

设计

在光纤电缆中，许多单独的光纤围绕中心钢缆或高强度塑料载体捆绑在一起以进行支撑。然后用铝、凯夫拉尔和聚乙烯（包层）等材料的保护层覆盖该核心。因为纤芯和包层的材料略有不同，所以轻 为了制造光纤，首先在中空基板棒的内表面沉积二氧化硅层。这是使用改进的化学气相沉积完成的，其中将纯氧气与各种化学蒸汽结合的气流施加到杆上。当气体接触棒的热表面时，棒内部会形成几层厚的玻璃状烟灰。
烟灰达到所需厚度后，基板棒会通过其他加热步骤移动，以驱除烟灰层中滞留的任何水分和气泡。在加热过程中，基材棒和内部烟灰层固化形成高纯度二氧化硅的晶锭或预制件。以不同的速度穿过它们。当在纤芯中传播的光波到达纤芯和包层之间的边界时，两者之间的这些成分差异导致光波弯曲回纤芯。因此，当光脉冲穿过光纤时，它不断地从包层反弹。脉冲以光速穿过光纤——在真空中每秒 186,290 英里（每秒 299,340 公里），在实践中稍慢——损失能量只是因为玻璃中的杂质和不规则的能量吸收玻璃结构。

光纤中的能量损耗（衰减）是根据每光纤距离的损耗（以分贝为单位，能量单位）来衡量的。通常，光纤的损耗低至每公里 0.2 分贝，这意味着经过一定距离后，信号变弱，必须加强或 重复。 使用当前的数据链技术，长距离电缆中大约每 30 公里（18.5 英里）就需要一个激光信号中继器。然而，正在进行的光学材料纯度研究旨在将光纤中继器之间的距离延长至 100 公里（62 英里）。

有两种类型的光纤。在单模光纤中，纤芯较小，通常直径为 10 微米（一微米是一米的百万分之一），包层的直径为 100 微米。单模光纤用于在很长的距离内仅传输一个光波。单模光纤束用于长途电话线和海底电缆。多模光纤的纤芯直径为 50 微米，包层直径为 125 微米，可以在更短的距离内传输数百个独立的光波信号。这种类型的光纤用于城市系统，其中许多信号必须传送到中央交换站进行分配。

实心玻璃瓶坯准备好后，转移到垂直拉丝系统。在该系统中，预制件首先被加热。这样做时，在其末端形成一团熔融玻璃，然后脱落，从而可以将内部的单根光纤拉出。
然后纤维通过机器，检查其直径，涂上保护涂层，然后加热固化。最后，它缠绕在一个线轴上。

制造
过程

光纤的纤芯和包层均由高纯度石英玻璃制成。光纤是由二氧化硅通过两种方法之一制造的。第一种是坩埚法，其中熔化二氧化硅粉，生产更粗的多模光纤，适用于许多光波信号的短距离传输。第二个是气相沉积过程，它创建一个由纤芯和包层材料组成的实心圆柱体，然后加热并拉制成更细的单模光纤，用于长距离通信。

气相沉积技术可分为三种类型：外气相沉积、气相轴向沉积和改性化学气相沉积 (MCVD)。本节将重点介绍 MCVD 工艺，这是目前使用的最常见的制造技术。 MCVD 产生非常适合长距离电缆的低损耗光纤。

改性化学蒸气
沉积

• 1 首先，通过在中空基材棒的内表面沉积特殊配方的二氧化硅层制成圆柱形预制件。通过将纯氧的气流施加到基材棒上来沉积这些层。将各种化学蒸气，例如四氯化硅 (SiCl 4 )、四氯化锗 (GeCl 4 ) 和三氯氧化磷 (POC1 3 ) 添加到氧气流中。当氧气接触棒的热表面时——棒下方的火焰使棒壁保持非常热——形成高纯度的二氧化硅。结果是在棒内沉积了几层厚的玻璃状烟灰。这种烟灰将成为核心。这些烟灰层的特性可以根据所使用的化学蒸汽的类型而改变。
• 2 烟灰达到所需厚度后，将基板棒移动通过其他加热步骤以驱除任何 典型的光缆通常包括围绕一根中心钢缆的多根光纤。根据电缆所处环境的恶劣程度，应用了各种保护层。滞留在烟灰层中的水分和气泡。在加热过程中，基材棒和内部烟灰层固化形成高纯度二氧化硅的晶锭或预制件。瓶坯的直径通常为 10 至 25 毫米（0.39 至 0.98 英寸），长度为 600 至 1000 毫米（23.6 至 39.37 英寸）。

绘制纤维

• 3 然后将固体预制件自动传送到垂直纤维拉伸系统。构成典型垂直牵伸系统的机器可以有两层楼高，能够生产长达 300 公里（186 英里）的连续纤维。该系统包括熔化预制棒末端的熔炉、监测从预制棒拉出的光纤直径的传感器，以及在外包层上施加保护层的涂层装置。
• 4 瓶坯首先通过一个熔炉，在那里被加热到大约 3600 华氏度（大约 2000 摄氏度）。接下来，在预制件的末端形成一滴称为“玻璃滴”的熔融玻璃，就像在漏水的水龙头底部聚集的水滴一样。然后料滴脱落，内部的单根光纤从预制棒中拉出。当光纤从预制棒中拉出时，原始基片棒中的材料形成包层，而沉积为烟灰的二氧化硅形成光纤的纤芯。
• 5 当光纤被拉出时，测量设备会监测它的直径和同心度，而另一个设备会施加保护涂层。然后纤维通过固化炉和另一个监测直径的测量装置，然后缠绕在卷轴上。

质量控制

质量控制始于用作基材棒、化学反应物和纤维涂层原材料的化合物的供应商。专业化学品供应商提供成分化合物的详细化学分析，这些分析由连接到工艺容器的计算机化在线分析仪不断检查。

工艺工程师和训练有素的技术人员在制造预制件和拉制纤维时密切注视密封容器。计算机操作复杂的控制方案，以管理制造过程的高温和高压。精确的测量设备连续监测纤维直径，并为控制拉丝过程提供反馈。

未来

未来的光纤将来自对具有改进光学特性的材料的持续研究。目前，氟化物含量高的石英玻璃最有希望用于光纤，其衰减损耗甚至低于当今的高效光纤。由含有 50% 至 60% 氟化锆 (ZrF 4 ) 的玻璃拉制而成的实验纤维现在显示每公里的损耗为 0.005 至 0.008 分贝，而早期的光纤通常具有每公里 0.2 分贝的损耗。

除了使用更精细的材料外，光缆生产商还在尝试改进工艺。目前，最复杂的制造工艺使用高能激光熔化用于光纤拉制的预制件。光纤可以以每秒 10 到 20 米（32.8 到 65.6 英尺）的速度从预制棒中拉出，而单模光纤的长度可以从一个预制棒中拉出 2 到 25 公里（1.2 到 15.5 英里）。至少有一家公司报告说制造了 160 公里（99 英里）的光纤，而光纤公司目前重组的频率——每 18 个月一次——表明未来还有更大的创新。这些进步的部分原因是光纤在计算机网络中的使用越来越多，以及东欧、南美和远东等新兴国际市场对该技术的需求不断增加。